ФИЗИКА МИКРОМИРА СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАТЕРИИ В ФИЗИКЕ

ФИЗИКА МИКРОМИРА

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАТЕРИИ В ФИЗИКЕ Размер, м 1026 1020 Мегамир Наблюдаемая Вселенная Галактика Солнечная система 1010 Солнце Земля 100 10 -8 Макромир Вещество Поле Молекулы 10 -10 Атомы 10 -14 10 -15 Микромир Элементарные частицы 10 -16 Фундаментальные частицы 10 -18 Ядра Протоны Нейтроны Кварки Адроны Лептоны Кванты полей (переносчики фундаментальных взаимодействий)

Структурные уровни вещества в микромире Молекулярный уровень Уровень молекулярного строения вещества. Молекула – единая квантовомеханическая система, объединяющая атомы. Атомный уровень Уровень атомного строения вещества. Атом – структурный элемент микромира, состоящий из ядра и электронной оболочки. Нуклонный уровень Уровень атомного ядра и составляющих его частиц. Нуклон – общее название протона и нейтрона, являющихся составными частями атомных ядер Кварковый уровень Уровень элементарных частиц – кварков и лептонов

Структура атома Размеры атомов порядка 10 -10 м. Размеры ядер атомов всех элементов порядка 10 -15 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атомов. Ядро атома положительно, а вращающиеся вокруг ядра электроны несут с собой отрицательный электрический заряд. Положительный заряд ядра атома равен сумме отрицательных зарядов электронов. Атом электрически нейтрален. Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов.

Электроны на орбитах удерживаются притяжения между ними и ядром атома. силами электрического Электрон не может пребывать в одном и том же энергетическом состоянии. В электронной оболочке электроны располагаются слоями. Каждая оболочка содержит определенное количество электронов: в первом ближайшем от ядра слое – 2, во втором – 8, в третьем – 18, в четвертом – 32 и т. д. После второго слоя электронные орбиты расчленяются на подслои. Энергетические уровни атома и условное изображение процессов поглощения и испускания фотонов.

Общая классификация элементарных частиц Элементарные частицы это неразложимые частицы, внутренняя структура которых не является объединением других свободных частиц, они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона. Классификация фотоны адроны лептоны электрон мезоны барионы протон нейтрон

Основные характеристики элементарных частиц Лептоны (легкие) Масса Барионы (тяжелые) Мезоны (средние) Время жизни Стабильные электрон (t>5∙ 1021 лет), протон (t>5∙ 1031 лет), Фотон, нейтрино Квазистабильные распадающиеся при слабом и электромагнитном взаимодействиях, t>5∙ 10 -20 сек Резонансы неустойчивые короткоживущие 10 -22 – 10 -24 сек частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия

Взаимодействие в микромире ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МИКРОМИРЕ Сильное взаимодействие обеспечивает сильную связь протонов и нейтронов в ядрах атомов, кварков в нуклонах Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов с ядрами, атомов в молекулах. Слабое взаимодействие обеспечивает переход между разными типами кварков, в частности, определяет распад нейтронов, вызывает взаимные переходы между различными типами лептонов. Гравитационное взаимодействие в микромире при расстояниях порядка 10 -13 см может не учитываться, однако при расстояниях порядка 10 -33 см начинают проявляться особые свойства физического вакуума – виртуальные сверхтяжелые частицы окружают себя гравитационным полем, искажающим геометрию пространства.

Характеристика взаимодействий элементарных частиц Тип Относит. Радиус взаимодей интенсив- действия -ствия ность см Частицы, между которыми происходит взаимодействие Сильное Электромагнитное Частицы-переносчики взаимодействия названи Масса спин е Гэ. В 1 10 -13 - 10 Адроны (нейтроны, протоны, мезоны) Глюоны 0 1 ~10 -2 ∞ Все электрическ и заряженные тела и частицы Фотон 0 1 -14

Тип взаимодействия Слабое Гравитац ионное Относит. интенсивность ~10 -15 ~10 -38 Частицы, Частицы-переносчики Радиус между взаимодействия действи которыми я см происходит название Масс спин взаимодейа ствие Гэ. В <<10 -14 ∞ Все Векторные элементар бозоны -ные W+, W-, частицы, Z 0 кроме фотонов Все частицы Гравитоны (гипотетич частица) 81 96 1 1 0 2

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ (поле) Гравитационное (кванты - гравитоны) ПОЛЕ Электромагнитное (кванты - фотоны) Ядерное (кванты - мезоны) Электронно-позитронное (квант - электроны, позитроны)

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ (вещество и поле) Вещество и поле различаются по массе покоя по закономерностям движения по степени концентрации массы и энергии по степени проницаемости как корпускулярная волновая сущности и Общий вывод: различие вещества и поля верно характеризует реальный мир в макроскопическом приближении. Это различие не является абсолютным, и при переходе к микрообъектам ярко обнаруживается его относительность. В микромире понятие «частицы» (вещество) и «волны» (поля) выступают как дополнительные характеристики, выражающие внутренне противоречивую сущность микрообъектов.

КВАРКИ – СОСТАВНЫЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Кварк Электрический заряд в элементарных зарядах «Странность » S «Очарование » C «Красота» В d (down) -1/3 0 0 0 u (up) 2/3 0 0 0 s (strange) -1/3 -1 0 0 c (charm) 2/3 0 1 0 b (beauty) -1/3 0 0 1 t (top) 2/3 Гипотетический, еще не обнаружен

КВАРКИ – СОСТАВНЫЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Барионный заряд у всех кварков равен 1/3, у соответствующих им антикварков -1/3. У каждого кварка три состояния, эти состояния называют цветовыми: R- красный, G -зеленый и В-голубой (синий). Каждый мезон М строится из одного кварка q и одного антикварка . Каждый барион В строится из трех кварков q.

СОЗДАНИЕ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ПОЛЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОСЛАБОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В 1967 г. С. Вайнеберг, Ш. Глэшоу и А. Салам показали, что электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой одно и то же взаимодействие (электрослабое). Эта теория вводит дополнительные частицы (W+, W-, Z 0) и новое поле особого типа (скалярное поле Хиггса). В 1983 г. объединение электромагнитного и слабого взаимодействия было подтверждено на ускорителе в Европейском центре ядерных исследований в Женеве открытием частиц W и Z. ТЕОРИИ «ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ» Согласно теориям Великого объединения, сильное и слабое взаимодействия должны объединяться при очень высоких энергиях (~1024 э. В). Данные теории предсказали распад протона (~1030 лет) (для сравнения возраст Вселенной ~1010 лет). Если экспериментально будет обнаружен распад протона, то данная теория получит подтверждение.

СОЗДАНИЕ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ПОЛЯ ТЕОРИИ «СВЕРХСИЛЬНОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ» В основе данной теории лежит идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий – электромагнитного, слабого, сильного и гравитационного. Теория объединяет пространственную симметрию общей теории относительности и внутреннюю симметрию теорий Великого объединения, связанную с квантовыми числами элементарных частиц.

СОЗДАНИЕ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ПОЛЯ Идея объединения 1. Все известные фундаментальные взаимодействия есть проявления единого фундаментального взаимодействия, объясняемого единой теорией, лежащей в основе всего. 2. Объединение всех фундаментальных взаимодействий основано на том, что дефиниция между ними проявляется только при малых энергиях; при больших энергиях они объединяются в единое взаимодействие: • электромагнитное и слабое взаимодействия объединяются при энергиях порядка 100 Гэ. В, что соответствует температуре 1015 К; • электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия объединяются при энергиях порядка 1014 Гэ. В, что соответствует температуре 1027 К; • электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия объединяются при энергиях порядка 1019 Гэ. В, что соответствует температуре 1032 К (условия на ранней стадии возникновения Вселенной).

3. В первое мгновение Большого Взрыва Вселенная была сверхгорячей и сверхплотной, существовало единственное объединенное взаимодействие. Но по мере того как Вселенная расширялась, она остывала и становилась все менее и менее плотной, и в процессе так называемого нарушения симметрии единое объединенное взаимодействие начало распадаться. По мере дальнейшего расширения и остывания Вселенная в конечном счете достигла стадии, когда сильное и слабое взаимодействия разделились, и Великое объединение перестало быть явным. Это произошло, когда возраст Вселенной был равен 10 -35 секунды, а температура достигла 1028 К.